Robomasters的智能机器人坦克的整车设计

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毕业论文

1绪论...1

1.1课题背景.1

1.2移动机器人研究现状...3

1.3地面军用机器人研究现状...5

1.4本文研究内容.5

1.5本章小结.6

2机器人系统设计.7

2.1RM2016比赛介绍...7

2.2总体设计要求.9

2.3总体方案设计10

2.4本章小结15

3机器人功能模块设计16

3.1底盘模块设计16

3.2发射机构模块设计24

3.3云台模块设计29

3.4本章小结31

4机器人结构静力学分析..32

4.1有限元法简介32

4.2软件介绍32

4.3重要零件静力学分析..33

4.4本章小结36

5机器人功能模块测试37

5.1底盘测试37

5.2发射机构测试39

5.3云台测试42

5.4本章小结42

6整车测试..43

6.1场地搭建与测试项目..44

6.2测试效果44

6.3本章小结46

结论...47

致谢...48

参考文献..49

1 绪论 1.1 课题背景机器人技术作为当今世界尖端科技的主流之一，融合了机械、电子、控制技术、计算机、传感器、仿生学、人工智能等多个领域内的先进科技，是衡量一个国家工业化水平高低的重要标准。半个多世纪以来，随着仿真技术、新材料技术、智能控制技术等关键技术的突破，机器人技术跨入了新的时代[1]。随着机器人技术的应用越来越广泛，为了促进其发展，国际上出现了各式各样的机器人比赛，比较著名的有 FIRA 机器人足球比赛、RoboCup 机器人足球世界杯、国际机器人灭火比赛、国际空中机器人大赛等。国内也紧跟国际步伐，多次举办了中国赛区的 FIRA 和RoboCup[2]。伴随着科技与经济的高速发展，未来的机器人产业将会出现井喷式的增长，而中国将会在其中占有重要地位。机器人比赛是机器人产业的外延，为了适应时代发展的需要，深圳市大疆创新科技有限公司资助开展了 Robomasters 项目，并于2013 年初步尝试举办比赛，比赛题目为“视觉自动识别移动靶投掷” ；2014 年该比赛转型为对抗性比赛，参赛队伍各自制造一定数量的战车，在特定的场地中进行射击对抗，最终由电子裁判系统裁决胜负，2015年该项比赛跃升为国家级机器人赛事。如今 Robomasters2016 大学生机器人大赛（以下简称RM2016）已成为由共青团中央、深圳市政府和全国学联秘书处联合主办的全球型赛事。RM2016 在前几年的基础上，提高了对机器人自动化水平的要求，提升了比赛场地的复杂程度，既增加了比赛的技术含量，又给比赛战术的开发留出了更多的空间。比赛中每种机器人都有自己特定的名字和战场角色，在早期发布的规则中，比赛中允许出场的机器人包括“坦克”（装备17mm 口径发射机构），“火炮”（装备 42mm 口径发射机构），“工程车”（提供补弹、铺设路障、搬运等战术支援），“基地”（全队守护的大本营）， “防御塔”（基地的近身护卫），“无人机”（提供高空视野和战术轰炸）。其中“坦克”是主要作战单位，“火炮”提供强大的火力支援，“工程车”提供必要的后勤保障，“防御塔”是保护“基地”的最后一道防线，“无人机”为场上的战术决策提供重要情报。本课题正是研究作战主力——“坦克”的整车设计，旨在设计一款能够满足比赛规则要求，运动灵活，功能可靠的机器人坦克展示了大疆公司自主开发的样车，从图中可以看出，比赛中的机器人坦克可以近似地理解成搭载了发射机构和裁判系统的移动机器人，即一台具有功能扩展模块的移动平台。这一特性在设计时应当充分利用，提前预留各模块之间的接口，使机器人坦克可以通过更换或升级模块来实现性能的改进。图 1.2 展示了 RM2016 比赛用场地，场地中有模拟的公路、荒地、河流、资源岛，比赛双方还有各自的基地区、启动区和补给站，从地图中可以看出，RM2016 比赛具有极强的对抗性，不仅仅有机械设计、嵌入式设计等技术上的对抗性，还有操控能力和战术布置上的对抗性，这使得机器人坦克又带有地面军用机器人的色彩（Robomasters 最早的名称是 Robowar）。由上述内容可以看出，本文所研究的机器人坦克是一款兼有技术性和操控性，同时又具有军事应用潜力的移动机器人。在正式比赛之前，主办方根据参赛队伍在准备比赛过程中的反馈情况以及官方自主测试的结果对规则做出了一定的修订。在最新发布的规则 4.1 版本当中，对出场机器人的类型和名称做了部分改动：“坦克”更名为“步兵机器人”；“工程车”则集成了“坦克”和“火炮”的发射机构，更名为“英雄机器人”，成为战场的主力；“防御塔”不再作为一个单独的兵种而存在，其发射机构转移到了“基地”上。对于“坦克”来说，虽然名称和战场定位出现变化，但其功能基本保持不变。“坦克”是比赛中对机器人的称呼，后文均使用“机器人坦克”指代，避免与真正的坦克混淆。